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Fakten zum AB Stahlbau der Universität Innsbruck: •Anwendung der numerischen Software ANSYS, •Seit kurzem Einführung neuer optischer Messsysteme ARAMIS und PONTOS. Grundidee: Anwendungsmöglichkeiten der Messsyteme ARAMIS und PONTOS testen und mit den numerischen Möglichkeiten von ANSYS vergleichen. Ziel: Erkennen der Vor- und Nachteile der Systeme für einen optimalen Einsatz.
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ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting
Wien, 26.04.2012
ARAMIS / PONTOS vs. ANSYS oder
„Experiment“ vs. „Simulation“
DI Ralph Timmers
AB Stahlbau und Mischbautechnologie Fakultät für Bauingenieurwissenschaften Leopold-Franzens-Universität Innsbruck
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012
Grundidee
2
Fakten zum AB Stahlbau der Universität Innsbruck: • Anwendung der numerischen Software ANSYS,
• Seit kurzem Einführung neuer optischer Messsysteme ARAMIS und PONTOS. Grundidee: Anwendungsmöglichkeiten der Messsyteme ARAMIS und PONTOS testen und mit den numerischen Möglichkeiten von ANSYS vergleichen. Ziel: Erkennen der Vor- und Nachteile der Systeme für einen optimalen Einsatz.
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012
Inhalt
Optische Messsysteme ARAMIS & PONTOS
Verifikation von ARAMIS • Versuche mit ARAMIS • Numerische Simulation mit ANSYS • Auswertung und Vergleich
Verifikation von PONTOS
• Versuche mit PONTOS • Numerische Simulation mit ANSYS • Auswertung und Vergleich
Zusammenfassung
3
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012
ARAMIS & PONTOS
4
An der Universität Innsbruck zur Material- & Bauteilprüfung
PONTOS Dynamische 3D-Koordinaten
ARAMIS Optische 3D-Deformationsanalyse
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Exemplarischer Ablauf einer Messung mit ARAMIS
1. Messbereich definieren
2. Referenzmuster aufbringen (aufsprühen)
3. Messung = Aufzeichnung der Verformung des
Referenzmusters mit High-Speed-Kameras
ARAMIS & PONTOS
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4. Auswertung
Aus der Veränderung des Referenz-musters je Zeitschritt (3D-Koordinaten) folgt die Relativverschiebung jeder Facette zueinander (Dehnungen, Dehnraten, … ).
Loadstep_01 - Referenzstufe
Loadstep_40
Loadstep_70
ARAMIS & PONTOS
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Exemplarischer Ablauf einer Messung mit PONTOS
1. Messbereich definieren
2. Kontrollpunkte aufbringen (kleben)
3. Messung = Aufzeichnung der Lageänderung der
Kontrollpunkte mit High-Speed-Kameras
ARAMIS & PONTOS
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4. Auswertung
Aus der Lageänderung der Kontrollpunkte (3D-Koordinaten) je Zeitschritt folgen die Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, …
ARAMIS & PONTOS
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Typische Anwendungsgebiete
Berührungsloses und materialunabhängiges Messen
Erfassen der realen Bauteilgeometrie und besseres
Verstehen des 3D-Bauteilverhaltens
Anwendungsgebiete
Statisch z.B. Festigkeitsanalysen, Beulformen, …
Dynamisch z.B. Schwingungsanalysen, Crashtest, …
Bruchmechanisch z.B. Rissentwicklung, Rissverfolgung, …
Verifikation von FE-Modellen
ARAMIS & PONTOS
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VERIFIKATION VON ARAMIS - TRAGLASTVERSUCH
ARAMIS – Versuche
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100kN Prüfmaschine der TVFA Innsbruck
ARAMIS – Versuche
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Versuchsaufbau
ARAMIS – Versuche
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Versuchsgeschwindigkeit 1 mm/min
ARAMIS – Versuche
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Auswertung mit ARAMIS
Verschiebungsfeld Dehnungsfeld
ARAMIS – Versuche
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Simulationsablauf
ARAMIS – Simulation mit ANSYS
Lineare Strukturanalyse
Lineare Beulanalyse (Eigenwerte)
GMNIA mit Imperfektionen (aus Eigenwerten)
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Lineare Beulanalyse – exemplarisch die ersten 4 Eigenwerte
ARAMIS – Simulation mit ANSYS
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GMNIA Imperfektionen
ARAMIS – Simulation mit ANSYS
0200min , 1,0
200 200 200a b mme mm = = =
Quelle: Eurocode EN 1993-1-5, Anhang C, Ausgabe 2007-04-01
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Materialverhalten aus Zugversuchen
2
2
87
95
o
u
Nfmm
Nfmm
=
=
ARAMIS – Simulation mit ANSYS
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GMNIA - Randbedingungen
ARAMIS – Simulation mit ANSYS
„Backe oben“ Weggesteuert, analog zu Maschinenweg der Prüfmaschine
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Auswertung mit ANSYS
Verschiebungsfeld Dehnungsfeld
ARAMIS – Simulation mit ANSYS
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Verschiebung uz bei ux=8,3mm ARAMIS ANSYS
,1
,2
21,416,5
z
z
u mmu mm
=
=,1
,2
21,516,6
z
z
u mmu mm
=
=
ARAMIS – Auswertung & Vergleich
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Verschiebung uz bei ux=16,7mm ARAMIS ANSYS
,1
,2
34,023,8
z
z
u mmu mm
=
=,1
,2
34,824,5
z
z
u mmu mm
=
=
ARAMIS – Auswertung & Vergleich
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 23
Verschiebung uz bei ux=64,0mm ARAMIS ANSYS
,1
,2
81,648,9
z
z
u mmu mm
=
=,1
,2
82,048,8
z
z
u mmu mm
=
=
ARAMIS – Auswertung & Vergleich
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 24
Dehnung bei ux=8,3mm ARAMIS ANSYS
ARAMIS – Auswertung & Vergleich
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 25
Dehnung bei ux=16,7mm ARAMIS ANSYS
Rissbildung
ARAMIS – Auswertung & Vergleich
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Dehnung bei ux=64,0mm ARAMIS ANSYS
ARAMIS – Auswertung & Vergleich
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Traglastkurve (Kraft-Weg-Diagramm) ARAMIS ANSYS
max 3604F N=
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 10 20 30 40 50 60
Kraf
t [N
]
Weg [mm]
ARAMIS – Auswertung & Vergleich
max 3880F N=
Rissbildung
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VERIFIKATION VON PONTOS - SCHWINGUNGSMESSUNG
PONTOS – Versuche
Alublech ident mit Aramisversuchen
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Anregung einer Biegeschwingung
Durchgeführter Versuch
PONTOS – Versuche
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PONTOS - reine Biegeschwingung
Anregung einer Biegeschwingung
PONTOS – Versuche
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Simulationsablauf
Modalanalyse Transiente Strukturanalysen mittels Mode Superposition
PONTOS – Simulation mit ANSYS
Strukturanalyse zur Normierung der Anfangsauslenkung
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Modalanalyse – exemplarisch die ersten 6 Eigenfrequenzen
PONTOS – Simulation mit ANSYS
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Dämpfung Beta Dämpfung für Transiente Analyse, geschätzt anhand der ersten Eigenfrequenz
1. Eigenfrequenz 13,3 Hz
2 2 0,008 0,00022 13,3
ξβω π⋅ ⋅
= = =⋅ ⋅
PONTOS – Simulation mit ANSYS
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Transiente Analyse - Randbedingungen
Simulation „Hammerschlag“
PONTOS – Simulation mit ANSYS
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ANSYS - reine Biegeschwingung
PONTOS – Simulation mit ANSYS
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Auswertepunkt – PONTOS / ANSYS
PONTOS – Auswertung & Vergleich
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Vergleich PONTOS ANSYS
13f Hz 13f Hz
0sec 1sec 2sec 2sec0sec 1sec
PONTOS – Auswertung & Vergleich
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Zusammenfassung
Experiment - ARAMIS & PONTOS + Messung kann komplexe Effekte sichtbar machen (z.B.: Rissentwicklung) + Messung liefert reale Daten - Messung beschränkt auf definiertes Messvolumen - Messungen meist aufwändig in der Versuchsdurchführung
Simulation - ANSYS
+ Grundsätzlich sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse (Abweichungen nur durch getroffene Annahmen wie Materialfestigkeiten, Randbedingungen, Dämpfung, …) + Keine aufwändigen Versuche notwendig - Komplexe Effekte nur schwer zu erfassen (z.B.: Rissentwicklung) - Ergebnisse hängen stark von der Qualität der Berechnung (Konvergenz,
verwendete Elemente, …) und den Eingangsdaten (Material, …) ab
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!